全自動無人駕駛系統(tǒng)信號子系統(tǒng)的接口*

陳 晨 錢存元 李慕君

(同濟大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海//第一作者，碩士研究生)

全自動無人駕駛系統(tǒng)無需司機和乘務(wù)人員的現(xiàn)場參與，由控制中心統(tǒng)一控制，并能實現(xiàn)運營、休眠、喚醒、準(zhǔn)備、自檢、自動運行、停車和開關(guān)車門等功能,具有功能高度集中、設(shè)備高度冗余、報警聯(lián)動多及信息反饋快等特點。隨著上海軌道交通10號線和8號線三期、北京地鐵燕房線及廣州珠江新城線的開通運營，我國城市軌道交通正式開啟了無人駕駛時代。

全自動無人駕駛系統(tǒng)主要由信號子系統(tǒng)(以下稱為“無人駕駛信號系統(tǒng)”)、車輛子系統(tǒng)、綜合監(jiān)控子系統(tǒng)和無線通信子系統(tǒng)等組成。其中，信號子系統(tǒng)是實現(xiàn)全自動無人駕駛功能的核心系統(tǒng)。本文以上海軌道交通10號線為例，深入研究無人駕駛信號系統(tǒng)的外部和內(nèi)部接口。無人駕駛信號系統(tǒng)接口的設(shè)置與其功能密不可分。

1 無人駕駛信號系統(tǒng)的功能

無人駕駛信號系統(tǒng)的主要職責(zé)是提供列車自動保護、確保安全、提供列車移動指令、支持離線調(diào)整和維護監(jiān)測等。其主要功能如下：

1) 執(zhí)行進路聯(lián)鎖：當(dāng)系統(tǒng)處于全自動無人駕駛模式時，進路為自動進路排列，列車進入進路請求區(qū)域，進路根據(jù)列車跟蹤信息自動觸發(fā)。在中央控制模式下，調(diào)度員可以管理線路運營。正常情況下，信號系統(tǒng)根據(jù)列車定義的運營任務(wù)自動確定進路。

2) 提供列車移動測量：信號系統(tǒng)確定控制區(qū)域內(nèi)列車的行駛方向、車速以及預(yù)計的車頭和車尾位置。列車的預(yù)計速度是通過里程表測量來處理的。里程表的原始測量是通過軌旁信標(biāo)的精確位置完成校準(zhǔn)的，通過軌旁信標(biāo)的精確位置可以更新里程表處理測量，實現(xiàn)精確定位。

3) 控制速度限制：信號系統(tǒng)在控制區(qū)域內(nèi)為列車提供安全速度限制。根據(jù)安全緊急制動模型，全自動無人駕駛列車在任何情況下都不會超過安全速度限制。安全制動模型需考慮線路坡度、車輛荷載、列車制動特性和黏著條件。

4) 提供安全列車間隔：后備模式即固定閉塞模式時，列車按前方地面信號機的顯示信號來運營。CBTC(基于通信的列車控制)模式時，列車根據(jù)進路等條件執(zhí)行安全間隔，安全間隔由信號系統(tǒng)實時計算。

5) 進行倒車保護：當(dāng)列車以指定或規(guī)定方向反向連續(xù)行駛而超過指定倒車安全距離時，將觸發(fā)倒車保護機制。

6) 提供列車移動指令：提供全自動無人駕駛列車的起動、停車和運行指令。信號系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的巡航速度、加速率、減速率及沖擊率等限制，實時計算列車行駛指令。

2 無人駕駛信號系統(tǒng)的接口

上海軌道交通10號線無人駕駛信號系統(tǒng)主要由：ATS(列車自動監(jiān)視)系統(tǒng)、ATC(列車自動控制)系統(tǒng)、CBI(微機聯(lián)鎖)系統(tǒng)、MSS(維修輔助系統(tǒng))及DCS(數(shù)據(jù)通信系統(tǒng))等組成。其中：ATS系統(tǒng)負責(zé)運營管理及線路、停車場和資源管理；ATC系統(tǒng)負責(zé)管理列車位置和確保列車保護和列車運營；CBI系統(tǒng)負責(zé)防止列車前面或側(cè)面碰撞和脫軌，以及負責(zé)操作軌旁設(shè)備；MSS負責(zé)中央維護系統(tǒng)，提供信號系統(tǒng)的維護性能。無人駕駛信號系統(tǒng)接口圖見圖1。

圖1 無人駕駛信號系統(tǒng)接口圖

2.1 外部接口

2.1.1 與車輛的接口

ATC系統(tǒng)接收來自車輛的車門狀態(tài)、駕駛室狀態(tài)等輸入信息，發(fā)送緊急制動、開門授權(quán)及零速指示等輸出信息至車輛。此外，ATC系統(tǒng)通過多功能車輛總線或模擬接口與車輛進行非重要信息的交換。

2.1.2 與列車動車的接口

ATC系統(tǒng)從列車接收駕駛室狀態(tài)及零速指示等輸入信息，發(fā)送緊急制動及零速指示等輸出信息至列車動車。此外，ATC系統(tǒng)通過模擬接口與列車動車交換非重要的列車信息。

2.1.3 與綜合監(jiān)控子系統(tǒng)的接口

綜合監(jiān)控子系統(tǒng)主要實現(xiàn)中央控制中心與列車的實時信息上傳聯(lián)動功能。ATS系統(tǒng)通過通信前置機，經(jīng)過防火墻，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將環(huán)境控制、風(fēng)警及火警等信息同綜合監(jiān)控系統(tǒng)進行交互。

2.1.4 與時鐘的接口

信號系統(tǒng)和外部時鐘系統(tǒng)間的接口目標(biāo)是使無人駕駛系統(tǒng)與參考時鐘同步。接口由ATS系統(tǒng)周期性執(zhí)行同步處理的操作。

2.1.5 與無線集成通信系統(tǒng)的接口

ATC系統(tǒng)與無線集成通信系統(tǒng)的接口包括實時傳輸正線列車的配置信息和位置信息。ATS系統(tǒng)通過廣播傳送到無線集成通信系統(tǒng)，每隔一定時間即提供出入正線的實時信息。無線集成通信系統(tǒng)不傳送任何信息至ATS系統(tǒng)接口。

2.1.6 與站臺屏蔽門系統(tǒng)的接口

ATS系統(tǒng)與站臺屏蔽門系統(tǒng)的接口可用來實現(xiàn)列車門和站臺屏蔽門的故障統(tǒng)計，也可用來預(yù)報站臺屏蔽門的關(guān)閉，向中央控制中心報告其他屏蔽門事件。CBI系統(tǒng)與站臺屏蔽門系統(tǒng)之間的接口是安全接口，可傳送從CBI系統(tǒng)至站臺屏蔽門的開關(guān)控制信息，以及從站臺屏蔽門至CBI系統(tǒng)的“關(guān)閉和鎖閉”信息。

2.1.7 與工作人員防護鑰匙開關(guān)的接口

CBI系統(tǒng)與工作人員防護鑰匙開關(guān)之間的接口屬于無人駕駛信號系統(tǒng)與軌旁基本信號設(shè)備的接口，采用安全繼電器接口。

2.1.8 與站臺緊急停車按鈕的接口

CBI系統(tǒng)與站臺緊急停車按鈕接口通過安全繼電器完成，屬于無人駕駛信號系統(tǒng)與軌旁基本信號設(shè)備的接口。

2.1.9 與洗車機的接口

列車清洗操作由列車自動防護系統(tǒng)保護。列車洗車機的接口在列車洗車機控制柜的輸出終端上。無人駕駛信號系統(tǒng)中的CBI系統(tǒng)和洗車機之間交換的信息，包括列車起動和停車、清洗車頭和車身、洗車機不可用等。

2.1.10 與軌旁設(shè)備的接口

軌旁設(shè)備與CBI系統(tǒng)的接口通常使用安全繼電器。軌旁設(shè)備包括信號機、道岔、計軸、軌道電路和防護隔離門等。

例如，防護隔離門接口采用安全繼電器接口。防護隔離門向中央車站區(qū)域控制器提供開關(guān)狀態(tài)信息。當(dāng)區(qū)域控制器失去防護隔離門的狀態(tài)信息時，區(qū)域控制器將收回防護隔離門的移動授權(quán)，并指示列車在防護隔離門前方停車。

2.2 內(nèi)部接口

2.2.1 ATC系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)的接口

ATC系統(tǒng)與ATS系統(tǒng)的接口傳輸以下相關(guān)信息：列車狀態(tài)信息、發(fā)車和到達的時間信息、發(fā)車指令信息、臨時速度限制狀態(tài)信息、折返信息和站內(nèi)扣車狀態(tài)信息等。

ATC系統(tǒng)軌旁設(shè)備發(fā)送給ATS系統(tǒng)閉塞狀態(tài)和緊急停車區(qū)域狀況的相關(guān)信息。ATS系統(tǒng)發(fā)送調(diào)度員定義的臨時速度限制的激活和取消指令至ATC系統(tǒng)軌旁設(shè)備。

ATS系統(tǒng)發(fā)送給車載ATC系統(tǒng)的信息包括：發(fā)車時間、到達時間、列車扣車請求、跳停、列車識別號及任務(wù)識別號等。車載ATC系統(tǒng)發(fā)送給ATS系統(tǒng)列車識別號和線路上的位置等相關(guān)信息。

2.2.2 ATC系統(tǒng)與CBI系統(tǒng)的接口

ATC系統(tǒng)與CBI系統(tǒng)的交互是：CBI系統(tǒng)發(fā)送給列車ATC軌旁設(shè)備狀態(tài)，包括閉塞狀態(tài)、屏蔽門開啟授權(quán)等信息；ATC系統(tǒng)發(fā)送給CBI系統(tǒng)車載控制器位置報告、區(qū)段狀態(tài)信息及屏蔽門狀態(tài)信息。

ATC系統(tǒng)車載設(shè)備與CBI系統(tǒng)的交互是：ATC系統(tǒng)車載設(shè)備給CBI系統(tǒng)發(fā)送屏蔽門開關(guān)指令；CBI系統(tǒng)發(fā)送屏蔽門狀態(tài)給ATC系統(tǒng)車載設(shè)備。

2.2.3 ATS系統(tǒng)與CBI系統(tǒng)的接口

CBI系統(tǒng)向ATS系統(tǒng)發(fā)送軌旁設(shè)備(包括道岔、備用檢測設(shè)備及信號機)的狀態(tài)、進路和運行方向等信息。

ATS系統(tǒng)使用從CBI系統(tǒng)接受的信息來檢查和控制軌旁設(shè)備(信號機或單鎖道岔等)的狀態(tài)，以及操作設(shè)置進路及自動折返等。

2.2.4 與MSS的接口

對于ATC系統(tǒng)、CBI系統(tǒng)、ATS系統(tǒng)及DCS，MSS通過周期檢測來收集每臺設(shè)備的狀態(tài)和配置等相關(guān)信息。每臺設(shè)備提供的信息都遵守簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。

3 結(jié)語

全自動駕駛技術(shù)是城市軌道交通行業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向，不僅能實現(xiàn)列車最優(yōu)控制，進一步提高運輸效率，并且有利于節(jié)能減排、改善城市環(huán)境。通過上海軌道交通10號線無人駕駛信號系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗，可進一步實現(xiàn)自主研發(fā)，對我國軌道交通建設(shè)影響深遠。本文全面地介紹了無人駕駛信號系統(tǒng)的接口，為形成相應(yīng)的接口通用標(biāo)準(zhǔn)提供參考。